Die roboterassistierte Reposition von Femurschaftfrakturen mittels intraoperativer dreidimensionaler Bildgebung: eine experimentelle Studie

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Medizinische Hochschule Hannover

Unfallchirurgische Klinik

(Direktor: Prof. Dr. med. C. Krettek, FRACS)

Die roboterassistierte Reposition von Femurschaftfrakturen mittels intraoperativer dreidimensionaler Bildgebung

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Eine experimentelle Studie

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin der Medizinischen Hochschule Hannover

Vorgelegt von Jan Bredow

aus Köln Hannover 2009

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Angenommen vom Senat der Medizinischen Hochschule Hannover am 08.09.2009

Gedruckt mit Genehmigung der Medizinischen Hochschule Hannover

Präsident/Präsidentin: Professor Dr. med. Dieter Bitter-Suermann

Betreuer der Arbeit: PD Dr. med. Thomas Gösling

Referent: PD Dr. med. Joachim Lotz

Korreferent: PD Dr. Ing. Christof Hurschler

Tag der mündlichen Prüfung: 08.09.2009

Promotionsausschussmitglieder:

Prof. Dr. Henning Windhagen Prof. Dr. Claus Petersen Prof. Dr. Michael Winkler

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Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG ... 5

1.1 Einführung ... 5

1.1.1 Vorangegangene Arbeit... 7

1.2 Anatomie des Femurs ... 8

1.3 Femurschaftfraktur... 10

1.3.1 Klassifikation ... 11

1.3.2 Behandlung von Femurschaftfrakturen ... 12

1.3.3 Repositionshilfen ... 12

1.3.4 Komplikationen bei Femurschaftfrakturen... 14

2 FRAGESTELLUNG ... 16

3 MATERIAL UND METHODEN... 18

3.1 Reposition am exponierten Femur... 18

3.1.1 Roboterinstallation... 18

3.1.2 Roboterassistierte Reposition des exponierten Femurs... 26

3.1.3 Repositionsversuche ... 28

3.2 Reposition am Kadaver... 30

3.2.1 Reposition am Kadaverfemur... 30

3.2.2 Roboterinstallation... 30

3.2.3 Roboterassistierte Reposition am Kadaver ... 31

3.2.4 Repositionsversuche am Kadaverfemur... 33

3.2.5 Manuelle Reposition am Kadaverfemur ... 33

3.2.6 Manuelle Repositionsversuche... 33

3.3 Fragestellung ... 34

4 ERGEBNISSE... 35

4.1 Ergebnisse der Reposition am exponierten Femur... 35

4.2 Ergebnisse der Reposition am Femur mit Weichteil... 38

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5 DISKUSSION... 43

6 ZUSAMMENFASSUNG ... 53

7 LITERATURVERZEICHNIS... 56

8 DANKSAGUNG ... 64

9 CURRICULUM VITAE ... 65

10 ERKLÄRUNG NACH § 2 ABS. 2 NR. 5 UND 6 DER PROMO:... 67

11 ANHANG... 68

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1 Einleitung Seite 5

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie

1 Einleitung

1.1 Einführung

Die gedeckte Marknagelung gilt heute als Standardverfahren zur Behandlung der Femurschaftfraktur [1-3]. Bei der antegraden Nagelung wird der Nagel am proximalen Anteil des Femurs im Bereich der sogenannten Fossa piriformis in den Markraum eingeführt, um nach der Reposition der Fraktur in das distale Fragment vorgeschlagen zu werden und so die beiden Fragmente in ihrer Position zu fixieren. Durch hohe Heilungsraten von 90-99% und eine geringe Inzidenz (<10%) von Infektionen hat sich diese minimal-invasive Technik als Standard etabliert [4-9].

In der Literatur sind einige Nachteile der Technik beschrieben. Insbesondere das Fehlen einer direkten Visualisierung des Knochens birgt Schwierigkeiten bei der Repositionskontrolle. An dieser Stelle ist der intraoperative Einsatz der Durchleuchtungstechnik [10] entscheidend. Die konventionelle Durchleuchtungs- technik liefert jedoch lediglich eine zweidimensionale Abbildung einer Betrachtungsebene. Je gleichmäßiger der frakturierte Schaft ist, desto schwieriger ist die Orientierung anhand dieser Bildgebung. Es finden sich dazu mehrere Berichte in der Literatur [10-15]. Die publizierten Studien über Repositionsprobleme am Femur beschränken sich vorwiegend auf die Marknagelung als die am weitesten etablierte Methode. Bei Reposition und Osteosynthese ist die Strahlenbelastung für Patient und Personal noch sehr hoch.

Untersuchungen, die direkt auf die Durchleuchtungszeit eingehen, zeigen hier Durchschnittswerte zwischen 158 und 316 Sekunden [7,16].

Postoperative Fehlstellungen sind ein weiteres Problem. Während der intraoperativen Reposition mit der zweidimensionalen Bildgebung ist die exakte

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Rotation um die Längsachse des Femurs schwer zu beurteilen. So sind Rotationsdifferenzen von über 10° mit 40 Prozent un d mehr nach einer Reposition und Fixierung mittels Marknagel in der Literatur beschrieben [6,13].

Aber auch Achsabweichungen in der Sagittal- bzw. der Frontalebene von bis zu 18° [5,6,13,17] und Verkürzungen des Femurs (Beinlä ngendifferenzen) um mehr als 2 cm [6,13] finden sich bei Anwendung dieser Technik.

Beinlängendifferenzen führen in der Regel zu einem Beckenschiefstand, der wiederum Veränderungen in der Körperhaltung und der Wirbelsäule (Skoliose) nach sich zieht. Langfristig führen diese Veränderungen zu chronischen Schmerzen. Durch Torsionsdifferenzen werden insbesondere die Gelenke beansprucht, die die neue entstandene Fehlstellung kompensieren müssen. In der Regel hat dies einen erhöhten Verschleiß zur Folge. Dies führt in einzelnen Fällen sogar dazu, dass die Fehlstellungen operativ korrigiert werden müssen [15,18].

Die Probleme stehen in enger Beziehung zu den Schwierigkeiten, die exakte Position bei der Reposition zu erreichen und zu halten. Diese Schwierigkeiten hängen vor allem auch damit zusammen, dass durch den starken Weichteilmantel erhebliche Kräfte und Drehmomente auf das Femur wirken [19].

Die computerassistierte Chirurgie hat sich zum Ziel gesetzt, die Präzision der Reposition bei gleichzeitiger Reduktion der Strahlenexposition zu erhöhen [11,20].

Neue Möglichkeiten zur Behandlung von Femurschaftfrakturen werden immer weiter erforscht. Einige, wie zum Beispiel die Navigation, sind schon soweit entwickelt, dass sie bereits in den klinischen Alltag integriert sind [21-24]. Andere unterstützende Geräte, wie zum Beispiel die Robotertechnik, sind noch in einer frühen Entwicklungsphase [25-27]. All diese Techniken und Entwicklungen haben das gemeinsame Ziel, die Repositionsgenauigkeit und die anschließende Fixierung der Femurfragmente zu optimieren.

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie 1.1.1 Vorangegangene Arbeit

Die vorliegende Arbeit ist ein Teilprojekt im Rahmen des DFG-Projektes

„Roboterunterstützte Femurmarknagelung (KR2161/1 - 1 und - 2).“ In den ersten Studien wurde die Repositionsarbeit des Systems mit dem Roboter mittels eines vereinfachten Laboraufbaus evaluiert [26,28-31]. Es wurden für die Darstellung des frakturierten Femurs CCD-Kameras anstelle der Röntgengeräte verwendet und die Reposition fand an einem Plastikknochen mit einer Fraktur ohne Weichteile und damit auch ohne Gegenkräfte statt. Die Ergebnisse [26] dieser einleitenden Studie waren der Grundstein für die Weiterentwicklung dieser gut kontrollierbaren und schonenden Methode der roboterassistierten Frakturreposition.

Dieser Laboraufbau musste im zweiten Schritt in eine eher klinische orientierte Umgebung übertragen werden. Dazu wurden menschliche Kadaver und die Kombination aus röntgenologischer Bildgebung und einem Navigationsgerät verwandt. Man versuchte sich in dieser Studie so nah wie möglich am klinischen Alltag zu orientieren [32].

Es konnte gezeigt werden, dass die roboterassistierten Frakturrepositionen auch in der klinischen Simulation durchführbar sind. Die Repositionsergebnisse waren ungefähr auf dem Niveau der konventionellen Methode, jedoch konnte die erforderliche Röntgenstrahlungszeit deutlich reduziert werden [32].

Die Repositionsgenauigkeit war nicht besser als die der konventionellen manuellen Methode. Entscheidend zu sein schien, dass die CCD-Kameras eine Oberflächenbetrachtung zuließen, während die Durchleuchtung eine projizierte 2- D Darstellung lieferte. So konnte man zusammenfassend sagen, dass die auf der 2D-Bildgebung basierende roboterassistierte Reposition möglich ist, jedoch, abgesehen von der herabgesetzten Strahlenbelastung, keine Verbesserung der Repositionsgenauigkeit bringt. Die zweidimensionale Repositionskontrolle zeigte sich somit als einflussreichster limitierender Faktor. In dieser Arbeit soll nun die roboterassistierte Frakturreposition, basierend auf der intraoperativen 3D- Bildgebung der Fraktur, am Beispiel des Femurs untersucht werden. Hierdurch

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie wird eine signifikante Verbesserung der Repositionsgenauigkeit erwartet. Die Ergebnisse dieser Studie werden hier vorgestellt und im Zusammenhang mit den möglichen Vorteilen für Patienten und Chirurgen diskutiert.

1.2 Anatomie des Femurs

Das Bein bzw. die untere Extremität lässt sich anatomisch in vier Skelettabschnitte einteilen.

Das sind neben dem Beckengürtel der Ober- schenkel, der Unter- schenkel und der Fuß. Im Folgenden wird der Oberschenkel beschrieben werden.

Der Oberschenkelknochen (Femur) ist der längste und stärkste Röhren-

knochen des menschlichen Körpers. Kranial liegt das Femur mit dem Caput femoris dem Acetabulum an, welches das Caput femoris über seinen Äquator hinaus umschließt. Die Verbindung zwischen dem Hüftkopf und dem Femurschaft stellt das Collum femoris dar. Das Collum femoris ist beim Erwachsenen gegen den Femurschaft in einem mittleren Winkel von 128 Grad abgespreizt. Dieser Winkel wird auch Centrum-Collum-Diaphysen-Winkel (CCD-Winkel) genannt. Bei normaler Stellung steht das Collum femoris nicht transversal sondern ist um ca.

10 Grad nach außen rotiert (Antetorsionswinkel). Am distalen Ende des Femurs befinden sich Condylus mediale und laterale, die mit dem Tibiaplateau artikulieren. Dieses Gelenk wird durch die zwei kräftigen Ligg. cruciata anterius

Abbildung 1: anatomische Übersicht eines Femurs (aus

„Atlas der Anatomie des Menschen“; Frank H. Netter)

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie und posterius, sowie den Innen- und den Außenmenisken (medial und lateral durch die Ligg. collateralia mediale und laterale geführt) verstärkt. [33]

Am Femurschaft liegt dorsal die Linea aspera (rauhe Linie), die den nach streckseitig konvex gekrümmten Femur verstärkt und den Muskeln als Ansatz dient. [34]

Es gibt zwei verschiedene Gruppen von Muskeln, die am Femur ihren Ursprung beziehungsweise Ansatz haben. Da sind zum einen die Hüftmuskeln. Zu dieser Gruppe gehören der M. iliopsoas, welcher seinen Ursprung zwischen dem zwölften Brustwirbelkörper bis vierten Lendenwirbelkörper als auch der Fossa iliaca findet und am Trochanter major ansetzt, der M.glutaeus maximus, der vom knöchernden Beckenrand zur Fascia lata und Tractus iliotibialis zieht. Des weiteren ziehen noch die Abduktoren Mm. Glutei medius und minimus von der Darmbeinschaufel zum Trochanter major, die Adduktoren M. adductor brevis, longus et magnus, M. gracilis und M. pectineus entspringen am vorderen Beckenring und setzen an diversen Stellen des Femurs an. Außenrotatoren sind der M. piriformis, M. obturatorius externus und internus, die Mm. gemelli sowie der M. quadratus femoris. Als Innenrotator wirkt der M. tensor fasciae latae, der außerdem den Tractus iliotibialis spannt. Dieser Tractus iliotibialis dient als Zuggurtung zum nach lateral gebogenen Femur. Wie man dem Namen entnehmen kann, verbindet er das Os ilium (Crista iliaca) mit der Tibia. Es sind der M. tensor fasciae latae von vorne, und der M. glutaeus maximus von hinten, die in den Tractus iliotibialis einstrahlen. Dadurch wird ein Gegengewicht zu den Biegekräften, die von medial auf den Femur wirken, geschaffen. Dabei wirken sie auf das Kniegelenk stabilisierend und unterstützen auch die Abduktion.

Neben den genannten Hüftmuskeln gibt es noch die Oberschenkelmuskeln, die sich in Extensoren und Flexoren kategorisieren lassen. Die Extensoren sind der M. quadriceps femoris, der aus dem M. rectus femoris und dem M. vastus medialis, lateralis und intermedius besteht, sowie der M. sartorius. Als Flexoren bezeichnet man M. biceps femoris, M. semitendinosus und M. semimebranosus.

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Diese Muskeln werden auch ischiokrurale Muskulatur genannt, da sie allesamt vom Sitzhöcker zu den beiden Unterschenkelknochen ziehen. [34]

Gefäße

Die A. iliaca externa geht in Höhe des Leistenbands in die A. femoralis über, aus welcher nach kurzem Verlauf die A. profunda femoris abzweigt und welche ab dem Adduktorenschlitz zur A. poplitea wird. Aus dieser Arterie werden dann auch die weiter distal gelegenen Regionen arteriell versorgt.

Der venöse Rückstrom erfolgt oberflächlich über die V. saphena magna und parva, in der Tiefe über die Vv. Tibialis anteriores und posteriores in die V.

poplitea und schließlich in die V. femoralis. [34]

Nerven

Der Plexus lumbalis stammt aus den Vorderästen der Spinalnerven Th 12 bis L 4.

Der Plexus lumbalis gibt im weiteren Verlauf folgende Äste ab: N. oturatorius, N.

femoralis, N. ilioinguinalis, N. genitofemoralis, N. cutaneus femoris lateralis.

Der Plexus ischiadicus kommt aus den Spinalnerven L4 bis S3, woraus der N.

glutaeus superior und inferior, N. cutaneus femoris posterior als auch der N.

ischiadicus, der sich dann in N. tibialis und N. peroneus communis aufteilt, entspringen.

1.3 Femurschaftfraktur

Man teilt die Femurschaftfrakturen in zwei Gruppen. Zum einen die Low-Energy- Traumata, welche häufig bei älteren Menschen mit Osteoporose auftreten. Zum anderen die High-Energy-Traumata, welche eher bei jüngeren Patienten auftreten.

Diese ereignen sich meist nur nach großen Gewalteinwirkungen (z.B. nach

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Verkehrsunfällen o.ä.) [35], da es großer Kräfte bedarf den stärksten Röhrenknochen des menschlichen Körpers zu frakturieren [34].

1.3.1 Klassifikation

Die am weitesten verbreitete Klassifikation ist die Klassifikation der Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthese (AO), die nun auch von der Orthopaedic Trauma Association (OTA) übernommen wurde [36]:

• Einfache Frakturen: A1 spiralförmig A2 schräg A3 quer

• Keilfrakturen: B1 Drehkeil B2 Biegungskeil B3 fragmentierter Keil

• Komplexe Frakturen: C1 spiralförmig C2 etagenförmig

C3 ausgedehnte Trümmerzone

Abbildung 2: AO-Klassifikation von Femurschaftfrakturen [Müller 90]

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie 1.3.2 Behandlung von Femurschaftfrakturen

Für die Therapie der Femurschaftfraktur stehen mehrere Verfahren zur Verfügung:

- unaufgebohrter Marknagel - aufgebohrter Marknagel - Fixateur externa

- Platten- oder Verbundosteosynthese

Die am häufigsten durchgeführte und anerkannteste Methode bei der Behandlung von Femurschaftfrakturen stellt heute Verriegelungsnagelung dar, wobei noch über die aufgebohrte und nichtaufgebohrte Technik debattiert wird [37-40]. Die Problematik bei der Behandlung ergibt sich dadurch, dass das Repositionsergebnis provisorisch so lange gehalten werden muss, bis die korrekte Stellung verifiziert und fixiert worden ist. Das Ziel bei der Reposition von Femurschaftfrakturen ist es die korrekte Achse, Länge und Rotation der beiden Hauptfragmente zu rekonstruieren, dabei toleriert man Fehlstellungen der Zwischenfragmente zugunsten des periostalen Verbundes [34]. Um eine möglichst rigide Retention der Reposition folgen zu lassen, bedient man sich einiger Hilfsmittel.

1.3.3 Repositionshilfen

Entscheidend bei der Reposition ist das vorsichtige und schonende Vorgehen des Chirurgen. Grobe oder wiederholte Repositionen können zu weiteren Weichteilschädigungen führen, welche einen negativen Effekt auf die Heilung der Fraktur, die Wundheilung, das Infektionsrisiko und die funktionelle Rehabilitation haben können [41]. Man braucht häufig Hilfsgeräte, da durch den kräftigen

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Weichteilmantel erhebliche Kräfte zwischen den Hauptfragmenten bei der Reposition wirken können, die der Chirurg erst überwinden muss, um dann die exakte und schonende Reposition und Retention durchführen zu können. In Untersuchungen aus der eigenen Arbeitsgruppe konnten hier maximale Kräfte von 411 N und maximale Drehmomente von 74 Nm gefunden werden [42]. Der voluminöse Weichteilmantel des Femurs verantwortet bei der manuellen Reposition noch eine weitere Schwierigkeit. Die Manipulation des zentral gelegenen Knochens ist direkt nicht möglich. Die im klinischen Alltag zur Frakturreposition eingesetzten Hilfsmittel funktionieren alle auf mechanischer Basis und können als Repositionswerkzeuge angesehen werden.

1.3.3.1 Extensionstisch

Das Prinzip des Extensionstisches beruht auf einem Zug in Längsrichtung des Schaftes, welcher der Verkürzung der Frakturenden durch die Weichteile entgegenwirkt [7].

Durch das Erreichen eines Kräfte- und Momentgleichgewichtes richtet sich der Knochen im Weichteilverbund entlang seiner ursprünglichen Achse aus. Über einen Steinmann-Pin, welcher in das distale Femurende eingebracht wird, der Zug ausgeübt. Alternativ kann die Extension auch über einen so genannten „Schuh“

erfolgen, der eine sichere Einspannung des Fußes im Extensionstisch ermöglicht.

Das Zug- und Gegenzugprinzip bedingt die Notwendigkeit einer proximalen Abstützung. Da das proximale Frakturende nicht am OP-Tisch fixiert ist, werden das Scham- und Sitzbein gegen einen Poller abgestützt. Hierbei sind Schädigungen des N. pudendus bis hin zur erektilen Dysfunktion beschrieben [43,44]. Studien zeigen zudem eine Verlängerung der Gesamtoperationszeit durch die Verwendung eines Extensionstisches [14,45,46]. Es zeigt sich, dass die Benutzung eines Extensionstisches zu einer höheren Rate an Fehlstellungen im Vergleich zur manuellen Reposition führt [14]. Außerdem ist eine sichere Retention der Fraktur nicht gegeben, da durch äußere Kräfte und Momente während der Operation das Gleichgewicht des Zug- und Gegenzugsprinzip gestört werden kann.

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie 1.3.3.2 Distraktor

Der Distraktor stellt eine Verbindung zweier Schanzschrauben über einer Spindel dar [47,48]. Hierdurch kann einerseits entlang der Spindel eine Distraktion erzeugt werden, andererseits bietet dieses Verfahren die Möglichkeit das erreichte Repositionsergebnis zu fixieren. Nachteilig bleibt hierbei jedoch, dass es durch die feste Verbindung zu einem Verlust an Freiheitsgraden mit eingeschränkter Mobilität der beiden Frakturfragmente gegeneinander kommt, was zu einer erschwerten Reposition führt.

1.3.3.3 Joystick

Die „Joystick“-Methode beruht auf dem Einbringen je einer Schanzschraube im proximalen und distalen

Fragment des frakturierten Femurs [49]. Diese Schanz- schrauben dienen dem Operateur dazu, direkt den Knochen, durch den Weich- teilmantel hindurch, zu manipulieren. Nachteilig sind jedoch die alleinige Kraft- aufbringung des Operateurs sowie die fehlende Retention der Reposition.

1.3.4 Komplikationen bei Femurschaftfrakturen

Als mögliche Komplikationen bei der Versorgung von Femurschaftfrakturen treten neben Nachblutungen, Infektionen, Thrombosen, Embolien, ARDS, und Pseudarthrosebildung [35], insbesondere Fehlstellungen auf [35,37]. Diese

Abbildung 3: Darstellung der Joystick-Reposition über zwei Schanzschrauben mit T-Griff

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Fehlstellungen zeigen sich als Torsionsfehler, Beinlängendifferenzen oder als eine ausgeprägte Varus- bzw. Valgusstellung der Beine.

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2 Fragestellung

Die Idee zur Entwicklung der roboterassistierten Reposition von Femurschaftfrakturen mittels intraoperativer dreidimensionaler Bildgebung ergab sich aus den fortbestehenden Schwierigkeiten bei der Behandlung der Femurschaftfraktur mittels Marknagel. Die hohe Strahlenexposition und die Komplikationen nach Fehlstellungen bei der geschlossenen Behandlung von Femurschaftfrakturen sind ausführlich beschrieben (siehe Kapitel 1.1). In diesen Punkten erwarten wir durch die roboterassistierte Reposition mit unserem Verfahren eine deutliche Verbesserung.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Genauigkeit der roboterassistierten Reposition von Femurschaftfrakturen unter Verwendung dreidimensionaler Bildgebung untersucht. Bisher wurde die roboterassistierte Reposition von Femurschaftfrakturen ausschließlich mit einer zweidimensionalen Bildgebung durchgeführt. Die Repositionsergebnisse waren im Vergleich zu den konventionellen Repositionsmethoden nicht besser.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer roboterassistierten Frakturreposition basierend auf einer intraoperativen dreidimensionalen Bildgebung.

Auf Grundlage der Erkenntnisse der vorherigen Studien (siehe Kapitel 1.1.1) führten wir mit dem neu entwickelten System zunächst Vorversuche an exponierten Femora durch. Die Erkenntnisse aus dem Vorversuch sollten anschließend für die Reposition am Kadaver genutzt werden. Die Repositionsgenauigkeit des Systems war der primäre Zielparameter.

Folgende Fragen sollen im Rahmen der Arbeit beantwortet werden:

Ist eine roboterassistierte Frakturreposition auch mit einer komplexeren dreidimensionalen Bildgebung möglich?

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2 Fragestellung Seite 17

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Welche Repositionsgenauigkeit kann mit einer roboterassistierten Reposition mittels dreidimensionaler Bildgebung im Vergleich zu der konventionellen Joystick-Methode erreicht werden?

Wie viel Zeit benötigt eine roboterassistierte Reposition im Vergleich zu der konventionellen Methode?

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3 Material und Methoden

3.1 Reposition am exponierten Femur

Der Roboter wurde als Manipulator mit 1:1 Aktion vom Chirurgen ausgehend eingesetzt. Es sollte die relative Position der beiden Hauptfragmente bezogen auf alle 6 Freiheitsgrade nach der Reposition mit dem Femur vor Frakturierung verglichen werden, um so die exakte Fehlstellung ermitteln zu können. Dazu wurde ein passives optisches Navigationssystem (VectorVision, BrainLAB, München, Deutschland, http://www.brainlab.com) genutzt (Abbildung 5). Die Zielgröße war die Repositionsqualität als Abweichung gegenüber dem intakten Femur.

3.1.1 Roboterinstallation

Hardware

Für die Versuche wurde ein Industrieroboter (RX 90, Stäubli Tec-Systems, Bayreuth, Germany, http://www.staubli.com)

ausgewählt (Abbildung 4). Die Nennlast beträgt 6 kg, die Höchstlast 11 kg. Der Roboter besitzt eine Wiederholungs- genauigkeit von +/- 0,02 mm bei einer Reichweite von 985 mm (alle Daten Hersteller- angaben). Die Steuerung erfolgte über

Abbildung 4: Roboter Stäubli RX 90

(Stäubli Tec-Systems; Faverges, Frankreich)

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3 Material und Methoden Seite 19

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie den CS7B Controller, der in V+ programmierbar ist. Zur Befestigung des Roboters wurde in den Forschungswerkstätten der Medizinischen Hochschule eine fahrbare Konsole konstruiert, die durch einen Rollmechanismus ein einfaches Manövrieren des Roboters erlaubte. Nach Justierung des Roboters am Operationstisch kann durch einen Kurbelmechanismus ein fester Stand des 150 kg schweren Roboters erreicht werden. Am Roboterarm ist eine sechsarmige Kraft-Momentendose (Modell FT Delta SI-660-60; Fa. Schunk, Lauffen, Germany, http://www.schunk.de) angebracht. Diese ist über den bereits beschriebenen ISA- Slot mit einem herkömmlichen Personalcomputer (Pentium® 4 2.8 GHz, Microsoft® Windows® 2000) verbunden.

Dieser wird im Folgenden die Kontrolleinheit genannt. Die Kontrolleinheit ist über eine Ethernet TCP/ IP Socket Verbindung mit der CS7B-Kontrolleinheit des

Roboters verbunden. Zur

Programmierung des Roboters wurde Zero als Frame-based C-Library, basierend auf Vorarbeiten des IRP der TU Braunschweig, genutzt [50].

Als Steuerungs-Tool für die Repositionsbewegung durch den Chirurgen wurde ein ForceFeedback Joystick (Microsoft SideWinder Force Feedback 2, Microsoft Corporation, USA, http://www.microsoft.com) eingesetzt. Für die Bildgebung wurde ein kommerzieller 3D-Röntgenbildverstärker (Siemens Siremobil Iso C 3D, Siemens AG, Medical Solutions; Erlangen, Germany) eingesetzt, der auch in der täglichen OP- Praxis der Unfallchirurgischen Klinik genutzt wird. Die Zuordnung der beiden Hauptfragmente, des Roboters im Raum und der durchgeführten dreidimensionalen BV-Bildgebung erfolgte über das o.g. Navigationssystem. Die Daten des Navigationssystems wurden sowohl während der Reposition zur

Abbildung 5: Navigationssystem (VectorVision, BrainLAB, Munich, Germany)

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Schanzschraube 30°Führung

90°Führung

Konterschrauben

Fixierschraube Klemmvorrichtung

Abbildung 6: Darstellung der distalen Drei- Punkt-Fixierung am Knochenmodell.

Steuerung, als auch prä- und postoperativ zum Repositionsvergleich benötigt. Der Anschluss an die Kontrolleinheit erfolgte über eine zweite Ethernet TCP/ IP- Socket-Verbindung.

Zur Fixierung des proximalen Fragmentes wurde der Prototyp eines pneumatischen Fixierungs- armes des AO-Development- Institutes genutzt (ADI, Davos, Schweiz, http://www.ao-asif.ch).

Dieser besitzt an seinem Ende eine Vorrichtung zur Fixierung zweier Schanzschrauben. Der Fixierungsarm konnte am OP- Tisch befestigt werden. Sein Ende

ließ sich über eine Höheneinstellung und vier Scharniergelenke frei im Raum positionieren. Die Fixationseinheit ist an ein Druckluftsystem angeschlossen, das durch Betätigung eines Fußschalters eine Blockierung der Gelenke und der Höhenverstellbarkeit herbeiführt. Die Fixierung der Schanzschrauben erfolgte im Schenkelhals. Die Fixierung des distalen Fragmentes am Roboterarm erfolgte durch eine in vorherigen Studien der Arbeitsgruppe bereits getestete Dreipunktfixierung mit einem Schanzschraubenwinkel von 90 Grad (Abbildung 6).

Die Schanzschraube wurde hierbei monokortikal in die anteriore Kortikalis eingebracht. Zwischen Roboterarm und Haltegerät befinden sich zum einen die o.g. Kraft- /Momentendose, zum anderen ein pneumatischer Knickschutz (ULS 100, IPRIntelligente Peripherie für Roboter GmbH, Schwaigern, Germany, http://www.iprautomation.com). Die Fixierung des Haltegerätes erfolgte durch eine Steckverbindung, die durch eine Konterschraube gesichert wurde.

Software

Die Programmierung der Kontrolleinheit erfolgte in Visual C++® 7.1 (Microsoft Corporation, USA, http://www.microsoft.com). Das Steuerungsprogramm verarbeitete die eingehenden Informationen des Navigationssystems, des

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Joysticks und der Kontrolleinheit des Roboters. Die Repositionseingaben des Chirurgen wurden so in gezielte Bewegungen des distalen Fragmentes in Relation zu dem proximalen Fragment umgesetzt. Als weitere eingehende Information

werden die Daten der Kraft-/Momentendose verarbeitet. Das Steuerungsprogramm besaß eine Maske für den Informationsaustausch mit dem Chirurgen. Um Positionen einzelner Elemente durch das Navigationssystem im Raum bestimmen zu können, müssen diese mit einer Referenzbasis versehen sein. Das verwendete Navigationssystem ist ein passives optisches System, d.h.

die Referenzbasen werden durch Reflektion des ausgesendeten Wellenspektrums erkannt und die Koordinaten im Raum bestimmt. Jede Referenzbasis erzeugt ein eigenes Koordinatensystem.

Das verwendete Navigationssystem kann im benutzten 2D-Modus drei Referenzbasen gleichzeitig erkennen. Um eine Identifizierung der Referenzbasen zu gewährleisten, müssen die reflektierenden Markerkugeln in einer bestimmten Position zueinander angeordnet sein (Abbildung 8). Vorgesehen sind eine sogenannte Y-Geometrie, eine T-Geometrie und eine SMS-Geometrie. In der Nutzung des Repositionsmoduls des Navigationssystems ist die Y-Geometrie als

Abbildung 7: Gesamtaufbau mit exponiertem Femur; im Vordergrund der Siemens ISO-C 3D

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Referenzbasis für das proximale Fragment, die T-Geometrie als Referenzbasis für das distale Fragment und die SMS-Geometrie als Referenzbasis für ein Instrument (z.B. Bohrer) vorgesehen (siehe 3.1.2 Abbildung 11). Wir haben diese Festlegung übernommen. Basierend auf den mechanischen Testungen in vorherigen Studien unserer Arbeitsgruppe sind bei der verwendeten Halterung die Abweichungen zwischen der Position des distalen Fragmentes und des Roboterarms als gering anzusehen. Somit wäre es ausreichend, Roboter und distales Fragment lediglich mit einer gemeinsamen Referenzbasis (z.B. der T- Geometrie) zu versehen. Um jedoch mögliche relative Bewegungen des Roboters zum distalen Fragment als störenden Faktor auszuschließen, wurde der Roboter zusätzlich durch die SMS-Geometrie referenziert. Das gesamte System bestand nunmehr aus mehreren Subsystemen mit eigenen Koordinatensystemen (Navigationssystem, Bildwandler mit erzeugten dreidimensionalen Abbildungen, proximales Fragment, distales Fragment und Roboter).

Alle diese Koordinatensysteme mussten in ein Basiskoordinaten- system transferiert werden. Dieser Prozess nennt sich Registrierung.

Die Registrierung wurde vom verwendeten Navigationssystem durchgeführt und wird daher nicht weiter ausgeführt. Auf die Kalibrierung und die Transformation der BV-Bilder wird ebenfalls nicht weiter eingegangen, da diese ebenfalls durch das kommerziell erhältliche Navigationssystem gewährleistet werden. Das Navigationssystem nutzt als Bezugskoordinatensystem das Koordinatensystem der Y-Geometrie. Der Registrierung zwischen dem Roboter

Abbildung 8: Navigationssystem und installierte DRB-Geometrien

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie und den anderen Subsystemen kommt entscheidende Bedeutung bei. Der Software auf der Kontrolleinheit ist es nun möglich alle entscheidenden Punkte und Relationen im Raum (Y-Geometrie, T-Geometrie, SMS-Geometrie, Frakturenden, Frakturzentrum) zu bestimmen. Der Manipulator muss an der Eingabemaske eingeben, ob es sich um einen linken oder rechten Oberschenkel handelt.

Die Joystickachsen mussten dementsprechend gespiegelt werden. Die Frakturreposition begann mit der Akquisition einer dreidimensionalen Abbildung des distalen und des proximalen Femurs. Die dreidimensionale Reposition wurde hierbei in zwei zweidimensionale Repositionen unterteilt. Die Bewegungsebene entsprach hierbei der angewählten Betrachtungsebene. Durch einen Kippschalter am Joystick war es möglich, die Betrachtungsebene dahingehend zu verändern,

Abbildung 9: Darstellung der Joystickfunktionen. Weitere Informationen im Text.

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie dass sich beide Fragmente je nach Betätigung des Schalters nach oben oder unten um die Knochenachse drehten.

Bei Manipulationen wurde das proximale Fragment bei starrer Verbindung zur Y- Geometrie als fix angesehen. Im Bild war ausschließlich das distale Fragment entsprechend der durchgeführten Manipulation in Relation zum proximalen Fragment zu bewegen.

Für translationale Bewegungen eignet sich die Abbildung bzw. Visualisierung am PC sehr gut, da die Bewegung intuitiv möglich ist [51]. Um eine Rotation durchzuführen, drückt man zuerst eine dafür belegte Taste am Joystick, die in den Rotationsmodus führt. Während diese gedrückt wird, kann man nun mit einer Rechts- bzw. Linksbewegung des Joysticks eine Außen- bzw. Innenrotation des Femurs durchführen. Eine Bewegung nach oben bzw. unten führt zu einer Re – bzw. Antekurvation. Zudem gibt es die Möglichkeit, über ein Drehen des in der Senkrechten belassenen Joysticks nach rechts bzw. links eine Valgus- bzw.

Varusstellung herbeizuführen. Der Drehpunkt für alle diese Rotationen liegt im Frakturzentrum.

Abbildung 10: Proximale Fixierung am exponierten Femur

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Die Fähigkeiten des Force Feedback Joysticks (Abbildung 9) erlauben es, dass dieser die wirkenden Kräfte, welche über den Kraft-Drehmoment-Sensor am Roboterarm [42] gemessen werden, direkt weitergibt. Das heißt, dass der Chirurg durch den Widerstand am Joystick direkt merkt, wie die Kräfte während der Reposition zwischen den Frakturfragmenten wirken. Dies geschieht zum Beispiel durch Kontakt der Fragmente oder durch Spannung im Weichteilbereich.

Zur Sicherheit stoppt der Roboter über den Kraft-Drehmoment-Sensor den Repositionsvorgang, falls zu große Kräfte oder Momente [42] auftreten.

Dem Chirurgen, der am PC reponiert, stehen neben der Visualisierung auch weitere Information am Bildschirm stets zur Verfügung. Dies sind die Sichtbarkeit der Referenzbasen für das Navigationssystem, die akut wirkenden Kräfte und Momente, die Repositionsdauer und die Quantifizierung der getätigten Bewegung des distalen Fragmentes in Bezug auf die vorherige Abbildung (Kapitel 5, Abbildung 24).

Über die vorher gemessenen Referenzwerte ist es nun möglich, die Repositionsqualität exakt zu bestimmen.

Sicherheitseinstellungen

Das System besitzt zwei verschiedene Ebenen der Sicherheitseinstellung. Die eine basiert auf der Software, die andere rein auf der verwendeten Hardware. Die wichtigste Softwarekomponente nutzte die Daten der Kraft-/ Momentendose. In der Kontrolleinheit wurden in jeder Abfrageschlaufe diese Werte verarbeitet.

Neben der Anzeige auf dem Monitor, die dem Chirurgen als Warnhinweis auf die schrittweise steigenden Kräfte und Momente diente, existierte ein Stoppmechanismus. Wurde ein zuvor festgelegter Schwellenwert überschritten, waren lediglich Bewegungen möglich, die zu einer Verringerung der Kräfte/

Momente führten. Ein kurzfristiges Überschreiten der Schwelle war nicht möglich.

Des weiteren wurden die Positionen der SMS-Geometrie (Navigationssystem) und der Roboterhand (CS7B-Kontrolleinheit) permanent auf Übereinstimmung überprüft. Bei Divergenz stoppte der Roboter. Eine Bewegung des Roboters erfolgte nur, wenn das Navigationssystem alle drei Referenzbasen als sichtbar an

(26)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie die Kontrolleinheit meldete. Ein alleiniger Ausschlag des Joystick-Hebels führte nicht zu einer Bewegung. Wichtig war das Umgreifen des Hebels mit der Hand, welches registriert wurde. Hierdurch wurde eine Weiterführung der Bewegung nach Loslassen des Hebels vermieden. Die zweite Sicherheitsebene arbeitete Software-unabhängig. Dies war notwendig, um bei einem Absturz, einem Fehler der Software oder einem Verlust der Verbindung eine Fehlsteuerung mit Schädigung des Gewebes oder des Knochens zu vermeiden. Diese Ebene wurde durch den mechanischen Knickschutz gewährleistet. Die Abschaltschwelle lag hier oberhalb der Abschaltschwelle für die Kraft-/ Momentendose.

3.1.2 Roboterassistierte Reposition des exponierten Femurs

In diesem Vorversuch sollte nun von der Möglichkeit Gebrauch gemacht werden, das Repositionsergebnis auf das intakte Femur zu beziehen. Hierzu wurde ein reverses Frakturmodell entwickelt. Revers bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die translatorische und rotatorische Bewegung der Fragmente gegeneinander jederzeit auf das intakte Femur rückgerechnet werden konnte, um so die reale Fehlstellung anzuzeigen.

Die Messung erfolgte wie bereits erwähnt über das Navigations-system. Die im proximalen und distalen Fragment angebrachten Y- und T-Geometrien wurden zur Referenzierung der Fragmente genutzt (siehe Kapitel 3.1.1 Abbildung 8).

Es galt zunächst, die Genauigkeit der Messung durch das Navigationsgerät zu validieren. Aus der klinischen Praxis war bekannt, dass zur Abbildung aller Geometrien im Navigationssystem im Rahmen der Operation

Abbildung 10: Befestigung der DRB am exponierten Femur

(27)

Abbildung 11: Schematische Darstellung der notwendigen Transformationen

gelegentlich ein Positionswechsel des Navigationssystems notwendig ist. Es wurde daher die Konstanz des Referenzwertes in einem definierten Arbeitsraum untersucht. Statt das Navigationssystem gegenüber den Geometrien zu bewegen, erfolgte die Positionsänderung der Geometrien.

Grundvoraussetzung für die korrekte Bestimmung der Fehlstellung war, dass sich weder die Position der Y-Geometrie noch der T-Geometrie bezogen auf das proximale bzw. distale Fragment verändern durften. Hier traten zwei Schwierigkeiten auf. Zum einen erfolgte die Frakturierung der Femora unter Krafteinwirkung in Drei-Punkt-Biegung, die zu einer Lockerung der Geometrien führte, zum anderen war eine Lagerung der formalinfixierten Kadaver mit den herausstehenden Markern bezogen auf die Positionsbeibehaltung nicht sicher. Es war daher notwendig, einen Aufbau für die Referenzgeometrien zu konstruieren, der eine De- und Remontage in der gleichen Position sicherstellte.

Basierend auf den CAD-Konstruktionen des Herstellers wurden mit dessen Genehmigung für jedes Femur je eine Y- und T-Geometrie in den Forschungswerkstätten der MHH nachgebildet.

Für die Fixierung der Geometrien am Knochen wurde eine Art Sockel geschaffen.

Dieser wurde mit zwei konventionellen Kortikalisschrauben (4,5 mm AO- Großfragment, Clinicalhouse, Bochum, Deutschland,http://www.clinicalhouse.de) wie eine Osteosyntheseplatte am Knochen fixiert (Abbildung 10). Mittig fand sich ein Gewindeloch. Die Bodenplatte der Geometrien konnte durch Verschraubung in dem Gewindeloch lediglich in einer einzigen Position gegen den Sockel fixiert werden. Somit war eine De- und Remontage der Geometrie über die Sockelplatte am Knochen in derselben Position zu beliebigen Zeiten möglich.

Die wenig auftragende Sockelplatte war durch den Weichteilmantel geschützt. Um das Fragment-Geometrien- Konstrukt noch stabiler zu machen, konstruierten wir eine Geometrie ohne

(28)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Justierungsmöglichkeiten. Diese Justierungs- bzw. Verstellmöglichkeiten wären im klinischen Einsatz natürlich essentiell, doch

konnten wir so für unsere Versuchsreihe eine höhere Messgenauigkeit erzielen. An zwei Femora wurde die Konstanz der Marker-

Geometrien bezüglich der

Referenztransformation untersucht. Hierzu

wurden bei fixiertem Sockel an jedem Bein nach dem Ausmessen der Bezugstransformation die Y- und T-Geometrie entfernt, die Geometrien auf einem festen Brett abgelegt und anschließend wieder remontiert und die aktuelle Transformation über das Navigationsgerät und die Kontrolleinheit bestimmt.

Dieser Vorgang wurde vierzig Mal wiederholt. Als Toleranzgrenze wurde eine Abweichung von 2 Grad für die Rotation und 2 mm für die Translation gewählt.

Diese Werte erscheinen aus der klinischen Praxis als untere Grenze des Bereichs, der im konventionellen Röntgen verlässlich messbar ist.

3.1.3 Repositionsversuche

Für die Repositionsversuche standen uns aus dem Anatomischen Institut der Medizinischen Hochschule Hannover 14 exponierte Oberschenkelknochen zur Verfügung. Für die Experimente wurden exponierte Knochen verwendet, das heißt von jeglichem Weichteilgewebe befreite Femora. Zudem benutzten wir ausschließlich intakte Knochen, die zuvor nicht durch Platten, Nägel oder Prothesen chirurgisch verändert wurden.

In der folgenden Abbildung 13 sind die einzelnen Versuchsschritte im Flussdiagramm dargestellt. Wie im Repositionsmodell beschrieben, wurde zunächst die Referenztransformation für das Femur im intakten Zustand bestimmt und diese gespeichert. Im Anschluss hieran erfolgte nach Demontage der Geometrien die Fraktur des Femurs in der Schaftmitte. Anschließend wurde mit einer oszillierenden Säge eine Sollbruchstelle in die mediale Kortikalis in Schaftmitte gesägt. Das Femur wurde dann durch 3-Punkt-Biegung frakturiert.

Nach Remontage der Geometrien erfolgte die zufällige Dislokation der beiden

proximal

distal

medial lateral

Abbildung 12: Femurachsen

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Hauptfragmente. Nun wurde die Fraktur in zufälliger, alternierender Reihenfolge von einem der vier Manipulatoren reponiert und anschließend die Fehlstellungen bzgl. der Rotation berechnet. Danach wurde die Fraktur wieder disloziert und ein zweites Mal vom selben Manipulator reponiert. Dieser Vorgang wurde so oft wiederholt, bis alle vier Manipulatoren jeweils zwei Repositionen durchgeführt hatten.

Für die roboterassistierte Reposition wurde das oben vorgestellt Repositionsmodul bestehend aus Roboter, Navigationssystem, Bildverstärker, Kontrolleinheit und Joystick genutzt (siehe 3.1.1 Abbildung 7).

Nach Verbindung von Roboter und Knochen über das dargestellte Haltegerät konnte mit der Reposition durch Generierung des dreidimensionalen CT- Bilddatensatz begonnen werden (Abbildung 13).

Die Bilder wurden über das Navigationssystem an die Kontrolleinheit gesendet. Hier erfolgte durch den Chirurgen in der Arbeitsmaske die Bestimmung der Längsachsen und des Frakturzentrums. In der Repositionssoftware wurde der komplexe Vorgang einer dreidimensionalen Reposition auf eine einfachere zweidimensionale Reposition reduziert. Mit Hilfe der Einrichtung einer zweidimensionalen Visualisierung ist es dem Chirurgen nun möglich, die Fraktur in einer zweidimensionalen Projektion einer dreidimensionalen Szene intuitiv zu

Exponierter Femur X

Montage der Y- und T- Geometrien

Ausmessen der Referenztransformation Demontage

der Geometrien

Frakturierung des Femurs

Remontage der Geometrien

Dislokation der Fraktur

Roboterassistierte Reposition

Messen der Fehlstellung

Kadaverfemur X

Abbildung 13: Flussdiagramm der Messung der Fehlstellung für die roboterassistierte Reposition

(30)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie manipulieren (siehe Kapitel 3.2.3, Abbildung 14). Diese Vereinfachung der räumlichen Darstellung bzw. der Wahrnehmung ist für die Reposition hilfreich.

Mittels eines zusätzlichen Knopfes am Joystick, kann der Chirurg die Abbildung der beiden Hauptfragmente des Femurs auf dem Bildschirm um die Knochenachse drehen/schwenken, womit er die Fraktur nun von jedem Winkel aus betrachten und manipulieren bzw. reponieren kann. Das heißt, dass die Bewegungsebene auch der Betrachtungsebene entspricht. War der Chirurg mit der Reposition zufrieden, stoppte die Messung der Repositionszeit und die Frakturstellung wurde über die Transformation der Geometrien bezogen auf die Referenztransformation bestimmt.

3.2 Reposition am Kadaver 3.2.1 Reposition am Kadaverfemur

Nach Abschluss der Vorversuche am exponierten Femur erfolgte die Testung der dreidimensionalen roboterassistierten Reposition am Kadavermodell, das heißt dem Femur mit Weichteilmantel. Als Vergleichsgruppe zur roboterassistierten Reposition am Kadaver diente die manuelle Reposition an den gleichen Kadavern.

Primäre Zielgröße war die Repositionsgüte als Abweichung der Rotation und Translation gegenüber dem intakten Femur. Ferner wurden die Repositionszeiten verglichen.

3.2.2 Roboterinstallation

Es wurde mit der exakt gleichen Hard- und Software aus dem Vorversuch gearbeitet.

(31)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie 3.2.3 Roboterassistierte Reposition am Kadaver

Die Repositionsversuche am Femur des Kadavers führten wir an insgesamt sieben Kadavern, das heißt 14 verschiedene intakten Femora durch.

Auch in dieser

Versuchsreihe prüften wir mit vier Manipulatoren unser Verfahren auf die Dauer und Qualität der Reposition.

Um die Geometrien am Femur der Kadaver zu platzieren, wurde, nachdem man den Femur palpiert hatte, am proximalen sowie distalen Ende des anterioren Femurs jeweils eine ca.

fünf cm lange

Längsinzision bis auf die Cortikalis durchgeführt.

Anschließend wurden die Fixierungsschienen und Geometrien wie oben beschrieben am Femur installiert und der

Referenzwert am intakten Knochen bestimmt. Nach der Demontage der Geometrien wurde das Femur auf die Frakturierung vorbereitet. Dazu wurde auf

Translation nach distal

(unabhängig von Betrachtungsebene)

bei ap Betrachtung: Translation nach medial bei seitl. Betrachtung: Translation nach anterior Translation nach proximal

(unabhängig von Betrachtungsebene)

bei ap Betrachtung: Translation nach lateral bei seitl. Betrachtung: Translation nach posterior

Außenrotation

Innenrotation

Rekurvation

Antekurvation

Valgus

Varus

Abbildung 14: Joystick-Aktion mit der hieraus resultierenden Bewegung des distalen Fragmentes

(32)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Höhe des Femurschafts ein weiterer ca. drei cm langer Längsschnitt bis auf den Schaft gesetzt und in dessen Folge mit einer oszillierenden Säge eine Sollbruchstelle in die mediale anteriore Schaftmitte gesägt. Mittels 3-Punkt- Biegung wurde das Femur nun frakturiert. Danach wurde ein röntgendurchlässiger Keil im Bruchspalt positioniert, damit proximaler und distaler Teil des Femurs für die Software klar erkennbar sind.

Nach der Remontage der Geometrien wird nun die Fraktur wieder über das gesamte System aus Navigation, Roboter und 3D ISO-C auf dem Arbeitscomputer visualisiert. Daraufhin erfolgte eine zufällige Dislokation der beiden Hauptfragmente und die Fraktur wurde von einem Manipulator reponiert (Abbildung 14) und zwar so lange bis die Testperson mit der Reposition zufrieden war. Anschließend wurde die Fraktur wieder disloziert und schließlich von jedem der vier Manipulatoren jeweils zweimal reponiert.

Abbildung 15: Gesamtübersicht des Versuchaufbaus

(33)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie 3.2.4 Repositionsversuche am Kadaverfemur

Die roboterassistierte Reposition am Kadaver erfolgte nach gleichem Muster wie die roboterassistierten Repositionen am exponierten Femur im Vorversuch.

3.2.5 Manuelle Reposition am Kadaverfemur

Im Anschluss an die roboterassistierten Repositionen des Femurs folgte die Reposition der selben Präparate mittels „Joystick-Methode“ (siehe Kapitel 1.3.3.3

„Repositionshilfen“). Die Ergebnisse beider Methoden konnten somit direkt verglichen werden, da beide am selben Präparat durchgeführt wurden. Die manuelle Reposition führte ein erfahrener Oberarzt der Unfallchirurgischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover durch.

3.2.6 Manuelle Repositionsversuche

Die manuellen Repositionsversuche wurden auch an den Femora der sieben Kadaver, welche bereits durch die roboterassistierte Methode reponiert wurden, durchgeführt.

Die manuelle Reposition erfolgte über die sogenannte „Joystick-Methode“. In das proximale und distale Fragment wurde je eine Schanzschraube eingebracht. Zur Manipulation der Fragmente wurden die T-Handgriffe an den Schanzschrauben belassen. Den Vorteil dieser Methode, nämlich die mögliche Gegeneinanderbewegung der Hauptfragmente in allen sechs Freiheitsgraden, machte man sich hier zunutze. Kontrolliert wurde die Reposition stets mittels Bildverstärker. Damit die Reposition in mehreren Ebenen kontrolliert werden konnte, wurde der Chirurg von einem Assistenten am Bildverstärker unterstützt.

Auch bei der manuellen Reposition wurden die Geometrien genutzt, um später Aussagen über die Qualität der Reposition treffen zu können. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wurde auch die manuelle Reposition anhand der Geometrien evaluiert. Sobald der Chirurg mit seiner Reposition zufrieden war, erfolgte durch den Assistenten über das Navigationssystem das Ausmessen der Reposition.

(34)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie 3.3 Fragestellung

Als Zielparameter diente die nach Beendigung der Reposition gemessene Abweichung der Fragmentstellung für Rotation und Translation bezogen auf den intakten Zustand. Dieses ist die verbliebene Fehlstellung. Des weiteren wurde die Repositionsdauer gemessen. Die Datenanalyse erfolgte mit dem Programm SPSS (Version 11.5, SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA, http://www.spss.com).

Zum Vergleich der Fehlstellungen bzw. der Repositonsgenauigkeit der beiden Repositionsgruppen wurde ein gepaarter T-Test genutzt. Dabei verglich man die Mittelwerte der vier mittels Roboter erzielten Repositionsergebnisse mit denen des Chirurgen. Es wurden folgende Nullhypothesen aufgestellt:

• Die Achsfehlstellung zwischen den Hauptfragmenten nach Reposition unterscheidet sich nicht zwischen den Repositionsgruppen.

• Die Translationsfehlstellung zwischen den Hauptfragmenten nach Reposition unterscheidet sich nicht zwischen den Repositionsgruppen.

Der Vergleich der Dauer der Reposition erfolgte zwischen den Gruppen mittels gepaartem T-Test. Folgende Nullhypothesen wurden aufgestellt:

• Die Dauer der Repositionen unterscheidet sich zwischen den Gruppen nicht.

(35)

4 Ergebnisse Seite 35

4 Ergebnisse

4.1 Ergebnisse der Reposition am exponierten Femur

Von den 13 exponierten Femora konnten alle erfolgreich reponiert werden. Unter diesen Femora waren acht einfache Typ A Frakturen, vier Keilfrakturen (Typ B) und zudem verwendeten wir zwei der Keilfrakturen ein weiteres Mal und frakturierten diese erneut, so dass auch zwei Repositionen an komplexen Frakturen (Typ C) simuliert werden konnten [36]. Durch den fehlenden Weichteilmantel konnten diese Femora unter vereinfachten Bedingungen reponiert werden. Von den Ergebnissen der 4 Manipulatoren ist hier der Mittelwert aller Ergebnisse zusammengefasst.

Tabelle 1 Repositionszeit am exponierten Femur in [min].

Gruppe Mittel Stabw Min Max

Roboter 04:14 02:13 01:36 12:57

Repositionsdauer am exponierten Femur

04:14

01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00

Repositionsdauer

Zeit in [min]

Abbildung 16: Darstellung der Repositionsdauer am exponierten Femur. Das Ergebnis zeigt den Mittelwert der Repositionsdauer aller vier Manipulatoren in allen Vorversuchen. Angabe in [min]

(36)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Bei den Repositionszeiten der exponierten Knochen fallen große Schwankungen auf. So konnte eine Fraktur innerhalb von 96 Sekunden reponiert werden, jedoch benötigte man im längsten Falle für eine Reposition einer Fraktur 12 Minuten 57 Sekunden. Im Mittel wurde die exponierten Femora in 4:14 Minuten reponiert.

Tabelle 2 Translationale Abweichung am exponierten Femur in [mm]

Im Durchschnitt lag die axiale Abweichung nach Reposition der exponierten Femora bei 2,1 mm. Die maximale Abweichung wurde bei 11,3 mm gemessen.

Bei 0,06 mm lag die minimale Abweichung nach Reposition. Die laterale Verschiebung betrug im Schnitt 1,662 mm. Die minimale bzw. maximale laterale Abweichung betrug 0,158 mm bzw. 4,86 mm.

axiale Abweichung Laterale Abweichung

Gruppe Mittel Stabw Min Max Mittel Stabw Min Max

Roboter 2,1 2,078 0,06 11,3 1,662 1,169 0,156 4,86

Translationale Abweichung am exponierten Femur

2,1

1,662

0 1 2 3 4 5

Abweichung in [mm]

Abbildung 17: Darstellung der translationalen Abweichung am exponierten Femur. Das Ergebnis zeigt den Mittelwert der Abweichung aller vier Manipulatoren in allen Vorversuchen.

Angabe in [mm]

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Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Tabelle 3 Achsfehlstellungen am exponierten Femur in [°]

Innen-/ Aussenrotation Ante-/ Rekurvatum Varus/ Valgus Gruppe Mittel Stabw Min Max Mittel Stabw Min Max Mittel Stabw Min Max Roboter 2,04 1,97 0,02 8,97 1,74 1,298 0 5,46 1,48 1,11 0,01 5,52

Der mittlere Innen- bzw. Aussenrotationsfehler lag bei 2,04°. Die maximale Abweichung in der Rotation betrug 8,97°, die Minima le 0,02°.

Die durchschnittliche Abweichung in Bezug auf Varus /Valugs wurde mit 1,48°

gemessen. Das Maximum konnte bei 5,52° gemessen we rden.

Die mittlere Ante-/ Rekurvation des reponierten Femurs betrug 1,74°. Als minimale Abweichung wurde hierbei 0° und als maximale Abweic hung 5,46° gemessen.

Achsfehlstellungen am exponierten Femur

1,74 1,48 2,04

0 1 2 3 4 5

Innen-/ Aussenrotation Ante-/Rekurvation Varus/ Valgus

Achsfehlstellungen in [°]

Abbildung 18: Darstellung der Achsfehlstellungen am exponierten Femur. Das Ergebnis zeigt den Mittelwert der Abweichung aller vier Manipulatoren in allen Vorversuchen. Angabe in [°]

(38)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie 4.2 Ergebnisse der Reposition am Femur mit Weichteil

Im Folgenden werden die Repositionsgenauigkeit und –dauer der Versuche am Femur eines Kadavers präsentiert. Wir verwendeten hierzu sieben Kadaver, wovon jeweils beide Beine für die Versuche genutzt wurden. Jeder der vier Manipulatoren, die das Robotersystem nutzten, reponierte jeden Femur zweimal.

Zudem wurden die frakturierten Femora (allesamt Typ A Frakturen) anschließend von einem erfahrenen Oberarzt der Unfallchirurgie mittels „Joystick-Methode“

manuell reponiert. Ein Femur musste für die Auswertung der manuellen Reposition verworfen werden, da die Messung der Reposition unvollständig war.

Außerdem konnte ein weiterer Femur nur einmal manuell reponiert werden, da er anschließend nicht mehr brauchbar für unsere Versuche war. In der Auswertung wurden die Mittelwerte der Ergebnisse der vier roboterassistierten Repositionen zusammengefasst und mit den Ergebnissen der manuellen Methode verglichen.

Tabelle 4 Repositionsdauer am Femur mit Weichteilmantel in [min]

Repositionsdauer

Gruppe Mittel Stabw Min Max

Roboter 06:14 04:52 02:01 31:20 Manuell 02:16 00:43 00:49 03:31

(39)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie In Tabelle 4 und Abbildung 19 werden die Repositionszeiten der Femora der Kadaver aufgezeigt. Gegenübergestellt werden hier die roboterunterstützten Repositionszeiten der manuellen Methode. Im Mittel liegt die manuelle Operationszeit bei 2:16 Minuten, die roboterassistierte bei 6:14 Minuten. Diese Differenz der Repositionsdauer zwischen der manuellen und roboterunterstützten Methode zeigt im gepaarten T-Test einen signifikanten Unterschied (p<0,01). Im besten Fall konnte manuell sogar in 49 Sekunden das gewünschte Ergebnis erreicht werden, dies gelang mittels Roboter in 2:01 Minuten. Mit maximal 31:20 Minuten benötigte die roboterunterstützte Reposition mehr Zeit als die längste manuelle Reposition mit 3:31 Minuten.

Repositionsdauer am Femur mit Weichteilmantel

06:14

02:16 00:00

02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Repositionszeit

Zeit in [min]

Roboter Manuell

*

Abbildung 19: Darstellung der Repositionsdauer am Femur mit Weichteilmantel. Die Grafik zeigt den Mittelwert der Abweichung aller vier Manipulatoren in allen Versuchen und das Ergebnis der manuellen Reposition. Angabe in [min]

* p<0,05

(40)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Tabelle 5 Translationale Abweichung am Femur mit Weichteilmantel in [mm]

Gruppe Mittel Stabw Min Max Mittel Stabw Min Max

Roboter 2,00 1,65 0,02 6,73 1,98 1,15 0,37 7,13

Manuell 3,69 2,31 0,43 8,97 3,37 2,75 0,52 12,98

Die translationale Abweichung beinhaltet die axiale sowie die laterale Verschiebung zwischen dem proximalen und dem distalen Femur.

Die durchschnittliche axiale Abweichung lag bei 2,00 mm mit der roboterunterstützten Reposition und mit der manuellen Methode bei 3,69 mm. Die maximale Abweichung wurde bei der manuellen Reposition bei 8,97 mm und bei 6,73 mm mit der roboterunterstützten Methode gemessen. Diese Differenz zwischen den beiden Methoden ist statistisch signifikant (p=0,007).

Die laterale Verschiebung betrug im Schnitt 1,98 mm nach der roboterunterstützten und 3,37 mm nach der manuellen Reposition. Der

Translationale Abweichung am Femur mit Weichteilmantel

2,00 1,98

3,69 3,37

0 1 2 3 4 5 6 7

Abweichung in [mm]

Roboter Manuell

* *

Abbildung 20: Darstellung der translationalen Abweichung am Femur mit Weichteil. Die Grafik zeigt jeweils den Mittelwert der Abweichung aller vier Manipulatoren in allen Versuchen und das Ergebnis der manuellen Reposition. Angabe in [mm]

* p<0,05

(41)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie Unterschied zwischen manuellen und der Robotermethode ist statistisch signifikant (p=0,024).

Tabelle 6 Achsfehlstellungen am Femur mit Weichteilmantel in [°]

Innen-/ Aussenrotation Ante-/ Rekurvatum Varus/Valgus Gruppe Mittel Stabw Min Max Mittel Stabw Min Max Mittel Stabw Min Max Roboter 2,89 2,65 0,07 16,15 1,24 0,97 0,01 4,81 1,11 0,87 0 3,56 Manuell 8,42 8,55 0,01 31,65 1,85 1,38 0,04 5,02 2,53 1,96 0,12 6,28

Der mittlere Rotationsfehler um die Femurschaftachse (Innen-/ Aussenrotation) lag mit Hilfe des Robotersystems bei 2,89°, bei der manuellen Variante wurde der durchschnittliche Rotationsfehler bei 8,42° gemesse n. Die maximale Abweichung in der Rotation betrug bei der roboterunterstützten Methode 16,15° und bei der

Achsfehlstellung am Femur mit Weichteilmantel

1,24 1,11

2,89

8,42

1,85 2,53

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Innen-/ Aussenrotation Ante-/Rekurvation Varus/ Valgus

Abweichungen in [°]

Roboter Manuell

*

Abbildung 21: Darstellung der Achsfehlstellungen am Femur mit Weichteil. Die Grafik zeigt jeweils den Mittelwert der Abweichung aller vier Manipulatoren in allen Versuchen und das Ergebnis der manuellen Reposition. Angabe in [°]

* p<0,05

(42)

Medizinische Hochschule Hannover Klinik für Unfallchirurgie manuellen Reposition 31,64°. Hier besteht eine stat istische Signifikanz in der Differenz der beiden Methoden (p=0,009).

Die durchschnittliche Abweichung in Bezug auf Adduktion bzw. Abduktion (Varus/

Valgus) lag bei 1,11° bei der roboterunterstützten und bei 2,53° bei der manuellen Reposition.

Das Maximum konnte bei der Variante mit Robotersystem bei 3,56° und im manuellen Versuch bei 6,28° gemessen werden. Die Di fferenz zwischen der roboterunterstützten Variante und der manuellen war statistisch signifikant (p=0,004).

Die mittlere Ante-/ Rekurvation des reponierten Femurs betrug mit dem Robotersystem 1,24° und 1,85° bei der manuellen Rep osition. Als maximale Abweichungen wurden hierbei 4,81° bei der Repositio n mit dem Robotersystem und 5,02° bei der manuellen Variante gemessen. Die Differenz der Ergebnisse in diesem Fall ist statistisch nicht signifikant (p=0,077).

(43)

5 Diskussion Seite 43

5 Diskussion

Die Wiederherstellung der anatomischen Achsverhältnisse ist von entscheidender Bedeutung bei der Behandlung der Femurschaftfrakturen [52]. Speziell die Antetorsionsdifferenz stellt ein häufiges Problem in der Behandlung mittels intramedullärem Marknagels dar [53-60]. Fehlstellungen führen zu Änderungen der Mechanik des gesamten Beines mit Auswirkungen auf die benachbarten Gelenke. Schmerzen, Arthrose und Bewegungseinschränkungen können die Folge sein [61-64].

Ziel dieser Arbeit war die Durchführung einer roboterassistierten Frakturreposition im Master-Slave-Verfahren basierend auf einer dreidimensionalen, intraoperativen Frakturdarstellung. Es wurden hierzu nach Etablierung des Systems vergleichende Untersuchungen an humanen Ganzkörperspendern durchgeführt.

Mit der roboterassistierten Reposition konnte hierzu im Vergleich zur konventionellen manuellen Reposition eine signifikante Verbesserung der Präzision erreicht werden. Allerdings ist die Repositionszeit hierdurch signifikant verlängert.

Um die Reposition zu optimieren haben sich schon einige mechanischen Hilfen bei der intramedullären Marknagelung etabliert [7,46,47,49,65,66]. Auch computerunterstützte Methoden finden hier seit geraumer Zeit Anwendung [11,67]. Die Idee zur Hinzunahme eines Roboters zur Reposition von Frakturen erfolgte erstmalig 1995 [27]. Außer den theoretischen Beschreibungen zur Umsetzung des Einsatzes eines Roboters bei der Reposition einer Femurschaftfraktur von den Forschungsgruppen um Füchtmeier [25] und Warisawa [68], gibt es keine Veröffentlichungen zu diesem Thema. Neben den Ergebnissen unserer Forschungsgruppe sind keine Daten bzw. Publikationen über die Repositionsqualität am Kadaver bekannt. Aufbauend auf den Grundlagen, die in dieser Forschungsgruppe zuvor geschaffen wurden [26,28-32,42,69-72], war es